光是人類探索自然奧秘的鑰匙，從伽利略的望遠(yuǎn)鏡到量子物理的奇異世界，光的研究引領(lǐng)了物理學(xué)的變革與創(chuàng)新。在這條充滿挑戰(zhàn)與突破的科學(xué)旅途中，一代代科學(xué)家們以卓越的智慧和不懈的努力，推動了人類對宇宙的深刻理解。對此，諾貝爾物理學(xué)獎得主塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）撰寫《光的探索》一書，帶領(lǐng)讀者穿越光的科學(xué)史，見證偉大的發(fā)現(xiàn)如何改變我們的世界觀。

《光的探索：從伽利略望遠(yuǎn)鏡到奇異量子世界》（世界圖書出版公司，2023年11月版）。

撰文 | 鄭偉謀（中國科學(xué)院理論物理所研究員）

光，帶領(lǐng)人類走出黑暗，是人類探索自然奧秘的火把，是近四個世紀(jì)科學(xué)發(fā)展史的中心角色。法國科學(xué)家、2012年諾貝爾物理學(xué)獎得主塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）的《光的探索》，是一部關(guān)于人類為揭示光的神秘而經(jīng)久不息奮斗歷史的浩瀚史詩，也記錄了作者本人在自己輝煌征途上譜寫現(xiàn)代物理學(xué)史篇章的絢麗多彩人生旅程。阿羅什的研究聚焦于量子光學(xué)和量子信息科學(xué)，他在實驗中“操控和測量單個光子”，做到了薛定諤認(rèn)為不可能實現(xiàn)的事情，對上世紀(jì) 80 年代興起的腔量子電動力學(xué)作出重要貢獻(xiàn)。

這本書一共有七章。第二至五章是關(guān)于人類探索光的科學(xué)史。直到約四個世紀(jì)前，關(guān)于光的研究才開始。光的研究催生了相對論和量子物理學(xué)，深刻地改變了我們在微觀和宇宙尺度上對世界的看法，然而，普通公眾對光所扮演的中心角色了解卻并不太多。但另一方面，人們的社會生活因光（電磁波）的應(yīng)用而發(fā)生巨大改變。例如一百多年前發(fā)現(xiàn)的微波，其應(yīng)用已經(jīng)在現(xiàn)代通信、導(dǎo)航和醫(yī)學(xué)射線照相設(shè)備中無處不在；激光的發(fā)明才不過六十年，今天激光的應(yīng)用數(shù)不勝數(shù)，從光盤播放器到通信光纖和互聯(lián)網(wǎng)，從商店條形碼的讀取到眼科激光手術(shù)，從裝修工使用的測距儀到 GPS 的空間定位，等等。有感于此，作者試圖遵循幾個世紀(jì)以來的思想和理論的譜系，喚起廣大讀者去思考科學(xué)先驅(qū)們提出的問題，講解有關(guān)光、相對論和量子物理的現(xiàn)代觀念。作者以充滿激情的語言，歌頌創(chuàng)造科學(xué)歷史的世代相承的英雄人物及其業(yè)績，涵蓋從伽利略到愛因斯坦的諸多偉大科學(xué)家。

這本書還有副標(biāo)題：“從伽利略望遠(yuǎn)鏡到奇異量子世界”。伽利略無疑是近現(xiàn)代科學(xué)革命的旗手。書的第二章從觀測空間的儀器望遠(yuǎn)鏡和計量時間的擺鐘，談起光速的測量。伽利略是使用望遠(yuǎn)鏡觀測天體的先驅(qū)，也是現(xiàn)代第一個憑直覺認(rèn)為光和聲音一樣，應(yīng)該以有限的速度傳播的科學(xué)家。他曾經(jīng)試圖測量光速，但最終失敗。在17世紀(jì)初，人們已經(jīng)知道光非?？?，要估計光速，必須能精確測量短時差和長距離，光速最早通過天文觀測估計。但早期關(guān)于光經(jīng)驗上的研究更像“瞎子摸象”，光的科學(xué)被定量化要歸功于笛卡爾的《屈光學(xué)》以至光線傳播的費馬原理。但科學(xué)家仍不理解光的本質(zhì)，這直接體現(xiàn)在惠更斯的波動說和牛頓的粒子說的“對抗”上。

阿羅什還著重介紹了看似關(guān)系不大的地球測量，自然地得出結(jié)論：光的早期歷史與測量地球的歷史，彼此相聯(lián)系且有許多共同點。兩者都圍繞著數(shù)學(xué)、天文學(xué)、物理學(xué)和地理學(xué)方面的相同發(fā)現(xiàn)展開，這些成果催生了現(xiàn)代科學(xué)，其原則和價值得到肯定，由此人們逐漸確立了科學(xué)方法論。在這些研究中，基本發(fā)現(xiàn)和儀器發(fā)展的互補性也特別引人注目。研究的不可預(yù)測性，常常會引導(dǎo)科學(xué)家沿著令人驚訝的道路前進(jìn)。光的研究與時間和空間的測量交織在一起，帶領(lǐng)人類從愚昧?xí)r代走向啟蒙時代，繼續(xù)共同發(fā)展到今天。

繼第二章光的研究史序曲之后，阿羅什在第三章聚焦電磁學(xué)的發(fā)展，將光的研究置于中心位置加以敘述，圍繞光波波長、周期和偏振等概念介紹相關(guān)理論和實驗的發(fā)展。19 世紀(jì)無疑是電磁學(xué)的世紀(jì)，代表性的英雄人物包括庫倫、奧斯特、畢奧、薩伐爾、安培、法拉第、韋伯、高斯和麥克斯韋。而這個時期光學(xué)的代表人物是楊和菲涅耳，菲涅耳推廣惠更斯原理，在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上將波的疊加和干涉普遍化，宣告波動說的勝利。書中提到泊松-菲涅耳光斑的故事：泊松依據(jù)波動說，指出在一個不透明圓盤的陰影中心應(yīng)該出現(xiàn)亮點。這個故事讓我對數(shù)學(xué)家泊松的物理直覺深感震撼。

19 世紀(jì) 60 年代初是歷史轉(zhuǎn)折點——法拉第提出影響之后整個物理學(xué)的場的概念；之后麥克斯韋總結(jié)并建立了電磁學(xué)理論（作者特別提到麥克斯韋用他所熟悉的機械學(xué)語言思考且描述法拉第定律），統(tǒng)一了電性和磁性，將光置于電與磁的交匯處，在一個統(tǒng)一的理論中解釋了看似不同的現(xiàn)象。這也是數(shù)學(xué)和物理的交匯，是理論、實驗和科學(xué)儀器的合奏。作者對這段歷史評論道，“基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)之間的關(guān)系是一條雙行道”，二者相互提攜，攜手并進(jìn)。阿羅什認(rèn)為，科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往源于各領(lǐng)域成就的結(jié)合，真理出現(xiàn)在看似完全不同的研究分支的匯流處，不同學(xué)科之間的結(jié)合甚至延伸到物理學(xué)以外；特別指出在 1859 年到 1869 年的十年里，物理學(xué)、生物學(xué)和化學(xué)因為麥克斯韋的電磁理論、達(dá)爾文的物種進(jìn)化學(xué)說和門德列夫的元素周期表，同時發(fā)生徹底改變。就光學(xué)而言，光的一些奧秘已經(jīng)解開，同時也將產(chǎn)生不可預(yù)見的后果。作者在熱情謳歌麥克斯韋的豐功偉績時，也許用力過猛。愛因斯坦在評價洛倫茲的《電子論》時曾經(jīng)說，麥克斯韋的理論，本質(zhì)特征并不清晰，物質(zhì)被視為場的承擔(dān)者，是洛倫茲將電磁場獨立于物質(zhì)的運動，提出電磁場的存在方式是沒有物質(zhì)的空間，并以之作為基礎(chǔ)。但是，后輩物理學(xué)家中很多人并不清楚洛倫茲對理論物理學(xué)基本規(guī)律的形成所起的決定性作用。

接下來的第四、五兩章，講開爾文的兩朵烏云：傳播光的以太的自相矛盾與熱力學(xué)中能量在各自由度間分配的違反。第四章講第一朵烏云如何預(yù)示著相對論的誕生，而第五章講第二朵烏云預(yù)示了量子物理學(xué)。這兩個革命性的理論均起源于對光的矛盾特性的質(zhì)疑，動搖了物理學(xué)家心中關(guān)于時間和空間、質(zhì)量和能量、決定論和偶然性的概念，最終深刻地改變了我們對世界的看法，堪比 16 世紀(jì)的哥白尼學(xué)說革命。在這場物理學(xué)革命中，作者指出，理論和實驗之間的共生關(guān)系，以及純粹基于好奇的基礎(chǔ)研究和技術(shù)進(jìn)步之間的共生關(guān)系也很重要，就像前幾個世紀(jì)一樣，其中儀器制作方面的進(jìn)展起了決定性的作用。

第四章以愛因斯坦為中心，講相對論的誕生和發(fā)展，通過他的思想的棱鏡來看物理學(xué)。麥克斯韋方程給出的光速在所有慣性參考系中相同，必須放棄伽利略的相對性原理，放棄絕對時間。愛因斯坦借假想實驗，以無可辯駁的邏輯，推斷出同時性和空間距離對于觀察者來說是相對的，提出他的相對性原理，推導(dǎo)出慣性系時空變換關(guān)系。在統(tǒng)一時間和空間的概念后，他還統(tǒng)一了經(jīng)典物理學(xué)中兩個完全不同的概念：質(zhì)量和能量。相對論要求，以光速運動的物質(zhì)，其質(zhì)量必定為零。作者驚嘆，愛因斯坦狹義相對論，僅靠一個基于光的思考而衍生出的原則，卻可以預(yù)言從無限小到無限大，直至半個到一個世紀(jì)后借技術(shù)進(jìn)步才可能觀察到的效應(yīng)。但狹義相對論還未解決引力問題，牛頓的萬有引力是超距的、瞬時的，與狹義相對論矛盾。在反思狹義相對論時，愛因斯坦早就意識到，還有待回答引力的真正本質(zhì)是什么。愛因斯坦從引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量的等價原理出發(fā)，建立了廣義相對論，認(rèn)為引力場實際上只是時空曲率的物理表達(dá)，由此統(tǒng)一了物質(zhì)與時空。正如美國物理學(xué)家惠勒所言：質(zhì)量告訴時空如何彎曲，而時空告訴質(zhì)量如何移動。作者指出，通過每天使用 GPS，我們不知不覺地對狹義相對論和廣義相對論進(jìn)行了極其精確的測試。如何從科學(xué)史的角度認(rèn)識相對論的誕生，值得思考。哈佛大學(xué)科學(xué)史和物理學(xué)教授加里森指出，法國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家龐加萊與愛因斯坦有大致相同的想法，從不同的角度批判了絕對同時性，技術(shù)和實驗對催生相對論的作用不可忽視（編者注：參見《愛因斯坦和龐加萊：站在物理、技術(shù)與哲學(xué)的交叉路口》）。

第五章從開爾文的第二朵烏云開始，以認(rèn)識光的本質(zhì)為中心，追溯量子思想的誕生和演變，穿越量子物理史。作者仍然執(zhí)著地要讓愛因斯坦充當(dāng)主角，認(rèn)為愛因斯坦通過引入光子的概念而成為量子物理學(xué)的第一奠基人，也許第一奠基人非普朗克莫屬。不過，關(guān)于愛因斯坦對量子力學(xué)貢獻(xiàn)，應(yīng)該說，作者所作的總結(jié)大體是很到位的。第一是光子概念的引入，重新解釋熱輻射的性質(zhì)；此后有了波粒二象性的革命性概念，啟發(fā)了德布羅意的物質(zhì)波。量子力學(xué)走了看似截然相反的兩條路：海森伯的離散之路和薛定諤的連續(xù)之路。費馬原理下力學(xué)與幾何光學(xué)統(tǒng)一，指引薛定諤的是愛因斯坦的波粒二象性，沿著德布羅意的思想，實現(xiàn)力學(xué)與波動光學(xué)的統(tǒng)一。量子物理學(xué)始于輻射定律，與熱力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)密切關(guān)聯(lián)。作者在講解熱力學(xué)時，稱宏觀熱力學(xué)體系既“懶”又“亂”，極其生動傳神。愛因斯坦對量子力學(xué)的第二個貢獻(xiàn)是，同種粒子的不可分辨性，即量子全同性原理。他敏銳地看出玻色的推理中隱含的光子不可分辨性的假設(shè)，將玻色的狀態(tài)計數(shù)法提升為玻色-愛因斯坦統(tǒng)計，并將玻色的統(tǒng)計法從光推廣到物質(zhì)粒子，意識到全同粒子的不可分辨性是量子世界的一個重要基本特性。如果要說愛因斯坦對量子力學(xué)的第三個貢獻(xiàn)，大概應(yīng)該是提出作為激光基礎(chǔ)原理的受激輻射的概念。作者強調(diào)，愛因斯坦對量子物理學(xué)誕生的貢獻(xiàn)，比他發(fā)現(xiàn)的相對論更大地影響我們的日常生活。但是，愛因斯坦對量子理論很不自在，對是否接受很不情愿，被量子糾纏等量子力學(xué)的詮釋問題所糾纏，終生感覺不安。這一章的最后部分是關(guān)于量子力學(xué)的詮釋，也許一般讀者不必過度關(guān)注。這章的“一場穿越數(shù)量級的旅行”一節(jié)，非常值得物理專業(yè)學(xué)生品味。

現(xiàn)在回到第一章，這一章最適合有志于專攻物理的高中生和物理系新生閱讀。作者親述投身實驗研究如何成為自己的宿命。作者生長在“物理世家”，自己是第三代諾貝爾物理學(xué)獎獲得者。他將自己的老師和先輩很確切地描繪成詩人和夢想家。科學(xué)研究需要好奇心和激情，需要數(shù)學(xué)上的嚴(yán)謹(jǐn)性，但更需要深入的直覺、想象力和創(chuàng)造力。量子物理學(xué)，對理解光是什么至關(guān)重要。量子物理現(xiàn)象，因為不能直接用我們的感官或直覺來感知，令人困惑，但事實上，它并沒有什么神秘之處。量子物理以一種合符邏輯的方式呈現(xiàn)了自己，并導(dǎo)致嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論用于精確地計算觀察到的結(jié)果，而不留下任何含糊。作者強調(diào)精確的實驗測量的重要意義，提到勒維耶預(yù)測海王星和實驗發(fā)現(xiàn)光譜蘭姆移位，但二者對科學(xué)進(jìn)步的意義并不同等。阿羅什十分留戀四五十年前基礎(chǔ)研究的環(huán)境和氛圍：在一位年輕、熱情的導(dǎo)師的信任和指導(dǎo)下工作，不需要經(jīng)常擔(dān)心科研經(jīng)費問題，也不必編寫研究的潛在效用來論證其合理性，得以秉持自由的精神開啟探索量子世界的長達(dá)數(shù)十年的偉大冒險。

第六章和第七章記述了作者自己的研究以及他所見證的同時代人的發(fā)現(xiàn)。第六章有些背景介紹，第七章則包含許多實驗細(xì)節(jié)，尤其是第七章，也許只適合相關(guān)專業(yè)的研究生和學(xué)者閱讀。在做科學(xué)普及時，盡可能避免寫公式。但是，在敘述實驗工作時，用公式、用專業(yè)語言也許既準(zhǔn)確又簡潔。我在讀這兩章時，常常感到無所適從，好在書中配了已發(fā)表的學(xué)術(shù)論文的插圖，勉強揣摩。

讀過這本書，難免不對為探索宇宙奧秘前仆后繼的先賢們心生景仰，啟發(fā)我們?nèi)绾螌W(xué)習(xí)“站在巨人的肩膀上”看世界。著者對法蘭西民族的科學(xué)家璀璨群星不吝筆墨，自豪感自然流露。這本書的法文書名的直譯是《光的揭示：從伽利略的望遠(yuǎn)鏡到量子奇異性》，英譯本書名的直譯是《光的科學(xué)：從伽利略的望遠(yuǎn)鏡到量子物理》，與中文書名《光的探索：從伽利略望遠(yuǎn)鏡到奇異量子世界》都不太一樣，似乎還是法文書名最為貼切。中文譯本文字大體流暢。

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